低合金鋼氣保焊焊絲殘余Al對(duì)焊縫氫氣孔的影響

1、低合金鋼氣保焊焊絲殘余Al對(duì)焊縫氫氣孔的影響哈爾濱焊接研究所 孫維峰 譚長(zhǎng)瑛 張顯輝 摘要： 低合金鋼氣保焊實(shí)芯焊絲中的殘余Al對(duì)焊縫金屬氫氣孔的影響，既取決于焊絲的合金體系，又與保護(hù)氣體氧化性的強(qiáng)弱有關(guān)。含有一定量殘余Al的低合金耐熱鋼焊絲在80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)焊工藝條件下，其焊縫金屬極易產(chǎn)生氫氣孔。關(guān)鍵詞: 焊絲 鋁 氫氣孔THE INFLUENCE OF RESIDUAL ALUMINIUM IN WELDING WIRES ON HYDROGEN POROSITIES IN LOW ALLOY STEEL WELD METALHarbin Research Inst

2、itute of Welding Sun Weifeng , Tan Changying , ZhangXianhuiAbstract For different shielding gases and welding wires, the influences of residual aluminium on hydrogen porosities in weld metal are different with each other. It was confirmed that the hydrogen porosities are easy to exist in the heat re

3、sistant steel weld metal, which is made by using the welding wire containing residual aluminium and the mixed shielding gas consisting of 80%Ar+20%CO2.Key Words: welding wires, aluminium, hydrogen porosities 0 前 言 氣孔是焊接科研和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的一種焊接缺陷。焊縫金屬中氣孔的存在不僅削弱焊接結(jié)構(gòu)件的有效斷面，而且顯著降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也會(huì)造成應(yīng)力集中，對(duì)動(dòng)載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度

4、更為有害。促使焊縫產(chǎn)生氣孔的因素是多種多樣的，如焊絲和被焊金屬坡口表面上的鐵銹、油污或其它雜質(zhì)，焊條、焊劑在使用前沒(méi)有經(jīng)過(guò)烘干或烘干不足，焊接區(qū)域沒(méi)有得到充分的保護(hù)，焊接參數(shù)或焊接材料選擇不當(dāng)?shù)?。不同的因素促使焊縫產(chǎn)生不同類別、不同形態(tài)的氣孔，如氫氣孔、氮?dú)饪?、一氧化碳?xì)饪椎取：缚p金屬中氣孔產(chǎn)生的根本原因是在焊接電弧高溫下大量溶解于熔滴和熔池金屬的氣體原子在熔池結(jié)晶時(shí)，由于溶解度的突然下降，使得氣體原子處于過(guò)飽和狀態(tài)，反應(yīng)生成的氣體分子由于不溶于金屬而在液態(tài)金屬中形成氣泡。當(dāng)氣泡向外逸出的速度小于熔池的結(jié)晶速度時(shí)，就在焊縫中形成了氣孔1。對(duì)于熔化極CO2氣體保護(hù)焊和富氬混合氣體保護(hù)焊來(lái)說(shuō)，如果

5、焊接區(qū)域受到良好保護(hù)，并且焊接參數(shù)選擇得當(dāng)，那么焊縫金屬中產(chǎn)生的氣孔大多為氫氣孔。這是因?yàn)?，用于保護(hù)焊接區(qū)域不受空氣侵害的CO2氣體大都是釀酒廠或酒精廠的副產(chǎn)品，不可避免地含有或多或少的水分或其它含氫物質(zhì)，同時(shí)混合氣體中的氬氣也常含有水分。如果保護(hù)氣體中的水分和其它含氫物質(zhì)的總含量超過(guò)一定限度，那么焊縫金屬中氫氣孔的產(chǎn)生將是必然的2。但是，如果保護(hù)氣體中的水分和其它含氫物質(zhì)的含量按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求被控制在一定的范圍內(nèi)，那么CO2氣體保護(hù)焊和富氬混合氣體（80%Ar+20%CO2）保護(hù)焊焊縫金屬中一般不會(huì)產(chǎn)生氫氣孔。這是因?yàn)镃O2氣體在電弧高溫下將發(fā)生分解反應(yīng)（CO2 = CO + O），分解出來(lái)的

6、原子態(tài)氧具有較強(qiáng)的氧化性，與氣相中的H反應(yīng)生成不溶于液體金屬的OH，從而有效地阻止焊縫中氫氣孔的產(chǎn)生3。本文要闡述的是，針對(duì)低合金耐熱鋼熔化極80%Ar+20%CO2混合氣體保護(hù)焊，雖然保護(hù)氣體中的水分或其它含氫物質(zhì)的含量按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求被控制在一定的范圍內(nèi)，并且焊絲及被焊金屬坡口表面無(wú)銹、油污或其它雜質(zhì)，同時(shí)焊接工藝參數(shù)的選擇得當(dāng)，但是如果不嚴(yán)格控制焊絲中的殘余Al含量，那么焊縫金屬中也將產(chǎn)生大量的氫氣孔。1 試驗(yàn)條件試驗(yàn)采用兩種保護(hù)氣體，一種是氧化性較強(qiáng)的二氧化碳?xì)怏w，另一種是氧化性相對(duì)較弱的富氬混合氣體（80%Ar+20%CO2）。所用的二氧化碳?xì)怏w是某酒精廠生產(chǎn)的專門用于焊接生產(chǎn)的市售氣

7、體，符合GB/T6052-93規(guī)定的優(yōu)等品。試驗(yàn)選用兩類合金體系的低合金鋼實(shí)芯焊絲，一類是以Cr-Mo為主要合金元素的低合金耐熱鋼焊絲，另一類是Mn-Ni-Mo高強(qiáng)度鋼焊絲。這些試驗(yàn)焊絲都因在焊絲鋼的冶煉過(guò)程中沒(méi)采取必要的控制措施而含有一定量的殘余Al，但是Al含量符合GB/T8110-1995"氣體保護(hù)焊用碳鋼、低合金鋼焊絲"對(duì)低合金高強(qiáng)鋼焊絲殘余Al的規(guī)定，即不超過(guò)0.10%4。試驗(yàn)方法是，在經(jīng)過(guò)打磨而露出金屬光澤、材質(zhì)為16Mn、厚度為12mm的試板上，用上述兩類合金體系的直徑為1.2mm的實(shí)芯焊絲在CO2和80%Ar+20%CO2兩種氧化性強(qiáng)弱不同的保護(hù)氣體下，按表

8、1所示的焊接規(guī)范參數(shù)進(jìn)行水平位置單道自動(dòng)焊。焊后，首先用肉眼觀察焊縫表面是否存在可見(jiàn)氣孔；然后打磨焊縫，對(duì)焊縫金屬內(nèi)部產(chǎn)生的氣孔數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。殘余Al含量符合GB/T8110-1995之規(guī)定且又各不相同的6種試驗(yàn)焊絲的主要合金成分及殘余Al含量，見(jiàn)表2。其中編號(hào)為C1C5的5種焊絲是以Cr-Mo為主要合金元素的低合金耐熱鋼焊絲，編號(hào)為M6的焊絲為沒(méi)有添加Cr合金元素的Mn-Ni-Mo低合金高強(qiáng)鋼焊絲。表1 焊接規(guī)范參數(shù)焊絲直徑焊接電流電弧電壓焊接速度干伸長(zhǎng)度氣體流量1.2mm270A28V5.5mm/s18mm18L/min表2 試驗(yàn)焊絲主要合金元素及殘余Al的含量（wt.%）編號(hào)C SiMn

9、CrMoVWNiAlC10.0970.791.531.250.560.38/0.008C20.0850.681.491.210.570.34/0.027C30.0790.701.551.230.510.39/0.040C40.0770.771.632.370.670.410.49/0.060C50.0800.80 1.501.260.55/0.080M60.0850.761.470.46/0.800.0852 試驗(yàn)結(jié)果殘余Al含量互不相同、分屬兩類合金體系的6種試驗(yàn)焊絲在氧化性強(qiáng)弱不同的CO2氣體和80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)下進(jìn)行施焊，其焊縫金屬是否產(chǎn)生氫氣孔或產(chǎn)生氫氣孔數(shù)量的多

10、少，見(jiàn)表3。從表3不難看出焊絲殘余Al含量對(duì)氣體保護(hù)焊焊縫金屬氫氣孔產(chǎn)生的影響，它不但與焊絲殘余Al含量的高低有關(guān)，而且取決于焊絲的合金系統(tǒng)，同時(shí)還與所采用的保護(hù)氣體的氧化性有密不可分的關(guān)系。在氧化性較強(qiáng)的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)下焊接，無(wú)論是對(duì)于以Cr-Mo為主要合金元素的低合金耐熱鋼焊絲C1C5，還是對(duì)于沒(méi)有添加Cr合金元素的Mn-Ni-Mo低合金高強(qiáng)度鋼焊絲M6，焊絲中含量不超過(guò)0.10%殘余Al的存在均沒(méi)導(dǎo)致焊縫金屬中氫氣孔的產(chǎn)生。而在氧化性相對(duì)較弱的80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)下焊接，對(duì)于Mn-Ni-Mo低合金高強(qiáng)度鋼焊絲M6而言，焊絲中含量為0.085%殘余Al的存在也未使得焊

11、縫金屬產(chǎn)生氫氣孔，但是對(duì)于以Cr-Mo為主要合金元素的低合金耐熱鋼焊絲C2C5來(lái)說(shuō)，焊絲中一定數(shù)量殘余Al的存在卻導(dǎo)致焊縫金屬中氫氣孔的產(chǎn)生，并且焊縫金屬產(chǎn)生氫氣孔的數(shù)量隨著焊絲殘余Al含量的升高而增多，以致于殘余Al含量較高的C4和C5焊絲焊縫金屬出現(xiàn)大量的表面氫氣孔。殘余Al含量不超過(guò)0.010%的C1焊絲，其焊縫金屬中沒(méi)有產(chǎn)生氫氣孔。表3 焊絲殘余Al含量對(duì)氣保焊焊縫產(chǎn)生氫氣孔的影響焊絲編號(hào)焊絲類型焊絲Al含量（%）CO2焊80%Ar+20%CO2焊C11.25Cr-0.5Mo-V0.0082無(wú)氣孔無(wú)氣孔C21.25Cr-0.5Mo-V0.027無(wú)氣孔少量氣孔C31.25Cr-0.5Mo

12、-V0.040無(wú)氣孔稍多氣孔C42Cr-MoWVTiB0.060無(wú)氣孔較多氣孔C51.25Cr-0.5Mo0.080無(wú)氣孔大量氣孔M6Mn-Si-Ni-Mo0.085無(wú)氣孔無(wú)氣孔3 分析與討論 我們知道，在焊接電弧的高溫作用下， 焊接區(qū)域氣相中的氫不完全是以分子狀態(tài)存在的，還有相當(dāng)多的原子氫。因此，氫在熔滴和高溫熔池金屬中的溶解度是相當(dāng)高的，但是當(dāng)熔池金屬冷卻結(jié)晶時(shí)，氫的溶解度卻又急劇降低，這樣一來(lái)處于過(guò)飽和狀態(tài)的原子氫將促使如下反應(yīng)：2H = H2，反應(yīng)生成的分子氫由于不溶于金屬而在液態(tài)金屬中形成氣泡。當(dāng)過(guò)多的氫氣泡來(lái)不及從快速冷卻的熔池金屬中全部逸出時(shí)，滯留在焊縫中的氫氣泡就是所說(shuō)的氫氣孔

13、1。如前所述，對(duì)于熔化極CO2氣體保護(hù)電弧焊，其焊縫金屬一般不會(huì)產(chǎn)生氫氣孔。這是因?yàn)镃O2氣體在電弧高溫下將發(fā)生分解反應(yīng)：CO2 = CO + O，分解出來(lái)的原子態(tài)氧具有較強(qiáng)的氧化性，與氣相中的原子氫反應(yīng)生成不溶于液體金屬的OH，從而能有效地阻止原子氫在熔滴和高溫熔池中的大量溶解3。對(duì)于80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)焊，雖然保護(hù)氣體由于活性氣體CO2的添加而在電弧高溫下具有一定的氧化性，但與單一的CO2氣體相比，其氧化性還是比較弱的，焊縫金屬中氫氣孔產(chǎn)生的傾向大于CO2氣體保護(hù)焊。試驗(yàn)結(jié)果表明，熔化極CO2氣體保護(hù)焊和80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)焊焊縫金屬氫氣孔的產(chǎn)生在很

14、大程度上還取決于焊縫金屬的合金系統(tǒng)、焊絲殘余Al含量的高低及保護(hù)氣體氧化性的強(qiáng)弱。針對(duì)這一試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的根本原因，現(xiàn)分別論述如下：首先，Cr含量超過(guò)1%的低合金耐熱鋼熔池金屬的粘度較大4，阻礙在其中生成的氣泡的上浮，從而增大焊縫中氫氣孔產(chǎn)生的傾向性；其次，Al與氧具有十分強(qiáng)烈的親和力，先于氣相中的原子氫同CO2氣體在電弧高溫下分解出來(lái)的原子態(tài)氧進(jìn)行結(jié)合。焊絲殘余的Al越多，與其結(jié)合的原子態(tài)氧也就越多，導(dǎo)致與氣相中原子氫結(jié)合的原子態(tài)氧的不足，從而促進(jìn)焊縫中氫氣孔的產(chǎn)生。因此，在氧化性相對(duì)較弱的80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)氣氛下施焊熔池金屬粘度較大的低合金耐熱鋼焊絲，如果焊絲中含有一定

15、數(shù)量的殘余Al，那么配比為20%的CO2氣體在電弧高溫下分解出來(lái)的原子態(tài)氧除去先與Al進(jìn)行氧化反應(yīng)的那部分外，剩余部分則不足以與H結(jié)合，況且這種粘度較大的低合金耐熱鋼熔池金屬又阻礙氫氣泡的上浮，勢(shì)必導(dǎo)致焊縫中氫氣孔的生成。對(duì)于同樣含有一定數(shù)量殘余Al的Mn-Ni-Mo低合金高強(qiáng)度鋼焊絲M6，在氧化性相對(duì)較弱的80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)氣氛下施焊，其焊縫金屬中卻沒(méi)有出現(xiàn)氫氣孔，這是因?yàn)殡m然少量的CO2氣體在電弧高溫下分解出來(lái)的原子態(tài)氧除去先與Al進(jìn)行氧化反應(yīng)的那部分外，剩余部分也不足以與H結(jié)合，但是其熔池金屬粘度較小，有利于氫氣泡的上浮。在氧化性較強(qiáng)的單一CO2保護(hù)氣氛下施焊兩類合

16、金體系并且含有一定量殘余Al的焊絲，其焊縫金屬中均沒(méi)有出現(xiàn)氫氣孔，這是由于單一的CO2氣體在電弧高溫下分解出來(lái)的大量原子態(tài)氧除去先與Al結(jié)合的那部分外，剩余部分還足以與H反應(yīng)以生成不溶于液體金屬的OH，從而能有效地抑制焊縫中氫氣孔的產(chǎn)生。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，以Cr-Mo為主要合金元素的低合金耐熱鋼焊絲在氧化性較弱的80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)下焊接，焊絲中殘余Al的存在導(dǎo)致焊縫金屬中氫氣孔的產(chǎn)生。所以，針對(duì)用于80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)焊的低合金耐熱鋼實(shí)芯焊絲，為了避免焊縫金屬中氫氣孔的產(chǎn)生，應(yīng)對(duì)焊絲中的殘余Al含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。4 結(jié)論（1）焊絲中的殘余Al對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊焊縫金屬氫氣孔的影響，不但與保護(hù)氣體的氧化性有關(guān)，而且還取決于焊絲的合金系統(tǒng)。（2）含有一定量殘余Al的低合金耐熱鋼焊絲，在 80%Ar+20%CO2 富氬混合氣體保護(hù)下焊接，其焊縫金屬極易產(chǎn)